§ 35. ДОСЛІДЖУЄМО ТЕРМОЯДЕРНУ ЕНЕРГІЮ

• Назад до змісту довідника

Назад до змісту довідника

Ядерна енергія виділяється при розпаді ядра. А чи може утворення ядер теж супроводжуватися виділенням енергії?

Так, утворення важчих ядер із легших ядер (ядерний синтез) також супроводжується виділенням колосальної кількості енергії. У розрахунку на один нуклон під час злиття легких ядер вивільняється значно більше енергії, ніж під час поділу важких ядер Урану.

ДОСЛІДЖУЙ

За малюнком 35.1, що ілюструє ядерний поділ (fission) і ядерний синтез (fusion), поясни, що спільного і що відмінного між ними. Укажи, який процес відбувається на атомних електростанціях, а який — у зорях і на Сонці. У якій реакції виділяється більша кількість енергії? Порівняй кількість енергії, яка припадає на один нуклон у кожній реакції.

Спільним для обох процесів є те, що в них змінюється склад атомних ядер і виділяється ядерна енергія. Відмінність полягає в характері перетворення: під час поділу одне важке нестабільне ядро розпадається на два легші уламки, а під час синтезу два легкі ядра зливаються в одне важче.

На сучасних атомних електростанціях застосовують поділ важких ядер Урану. У надрах зір і на Сонці відбувається термоядерний синтез легких ядер.

В одному одиничному акті реакції поділу важкого ядра виділяється більша повна кількість енергії (близько $200\text{ МеВ}$), тоді як під час злиття двох легких ядер виділяється лише кілька $\text{МеВ}$ (наприклад, $3{,}2\text{ МеВ}$). Проте в розрахунку на один нуклон значно вигіднішим є саме термоядерний синтез: при поділі ядра Урану-235 на один нуклон припадає менше ніж $1\text{ МеВ}$ ($200\text{ МеВ} / 235 \approx 0{,}85\text{ МеВ}$), а в реакціях синтезу цей показник досягає $3{,}5\text{ МеВ}$ на один нуклон.

Порівняй цю реакцію з реакцією ядерного синтезу на малюнку 35.1.

Реакція синтезу Дейтерію і Тритію ($^{2}_{1}\text{H} + {^{3}_{1}\text{H}} \rightarrow {^{4}_{2}\text{He}} + {^{1}_{0}\text{n}}$) виділяє $17{,}6\text{ МеВ}$ енергії, що становить приблизно $3{,}5\text{ МеВ}$ на один нуклон для 5 нуклонів. Реакція злиття двох ядер Дейтерію ($^{2}_{1}\text{H} + {^{2}_{1}\text{H}} \rightarrow {^{3}_{2}\text{He}} + {^{1}_{0}\text{n}}$) на малюнку 35.1 вивільняє лише $3{,}2\text{ МеВ}$ енергії, тобто $0{,}8\text{ МеВ}$ на один нуклон для 4 нуклонів. Синтез Дейтерію з Тритієм є значно ефективнішим за енергетичним виходом.

ДУМАЙ

1. У чому різниця між реакціями ядерного поділу і синтезу?

Під час реакції поділу одне важке ядро розпадається на легші ядра-осколки і випускає нейтрони під дією електричних сил відштовхування. Під час реакції синтезу легкі ядра об’єднуються у важче ядро завдяки потужним ядерним силам притягання між нуклонами.

2. Чому для утворення термоядерної реакції необхідна висока температура?

Усі атомні ядра мають позитивний електричний заряд і взаємно відштовхуються за законом Кулона, причому сила відштовхування різко зростає при зближенні. Щоб подолати цей бар’єр і наблизити ядра на надмалу відстань дії ядерних сил, частинки повинні мати колосальну швидкість і кінетичну енергію руху, що можливо лише за температур у десятки й сотні мільйонів градусів.

3. Ядра яких елементів вступають у реакцію синтезу у першу чергу?

У першу чергу в реакцію синтезу вступають ядра найлегших елементів з мінімальним позитивним зарядом ($+1e$). Найпростіше долають кулонівське відштовхування ізотопи Водню — Дейтерій ($^{2}\text{H}$) і Тритій ($^{3}\text{H}$).

4. Чому Сонце втрачає масу?

Сонце безперервно випромінює в навколишній космічний простір величезну енергію, яка утворюється під час термоядерного синтезу. Згідно з формулою взаємозв’язку маси та енергії ($E = m \cdot c^2$), разом із випромінюванням Сонце щосекунди втрачає близько $4{,}5$ мільйона тонн власної маси.

5. На який період має вистачити запасу водню на Сонці за розрахунками вчених?

За розрахунками астрофізиків, наявного в надрах Сонця запасу водню вистачить приблизно на 100 мільярдів років.